浅论南水北调中线一期工程天津干线输水方案论证

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1、 浅论南水北调中线一期工程天津干线输水 方案论证浅论南水北调中线一期工程天津干线输水方案论证 导读：南水北 调中线一期工程天津干线输水方案论证 alhead.Inthispaper，basedonthecharacteristicsofTianjinsection，andacco rdingtofolloicallyreasonable，simpleoperation，aimedtoguaranteetheini mizingthepermanentlandoccupation，asonstration of iddle Route of SouthtoNorth unicipal iddle

2、 Route of SouthtoNorth ple operation，aimed to guarantee the inimizing the permanent land occupation，as pacts on the local social environment，the process and thoughts of e in Tianjin section onstrated.Key words：SouthtoNorth Water Diversion Project；Tianjin section；water del 3 4 浅论南水北调中线一期工程天津干线输水方案论证

3、导读：南水北 调中线一期工程天津干线输水方案论证 ivery scheme1 工程概况天津干线为南水北调中线工程的重要组成部分，起点位于河北 省徐水县西黑山村，终点位于天津市外环河西，总体走向由西向东， 全长 155 km。天津干线设计流量 50 m3/s，加大流量 60 m3/s。中线 总干渠向天津多年平均输水量为 1015 亿 m3，其中向河北省多年平 均输水量为 142 亿 m3。天津干线采用全箱涵无压接有压自流输水方案，0+00010+660 段采用无压箱涵输水型式，10+660155+305 采用有压箱涵输水型 式，10+660 处设调节池。主要建筑物有：西黑山进口闸枢纽、东黑 山陡

4、坡、调节池、保水堰、王庆坨连接井、分流井、检修闸、通气 孔、外环河出口闸等制约性建筑物及河渠、铁路和公路交叉建筑物。2 天津干线主要特点2.1 沿线地形高差变化大天津干线起点地面高程 652 m，终点地面高程为 12 m，高差为 64 m，但沿线地势高差变化较大，高差分布严重不均，上段地势陡， 中下段地势平缓。前 20 km 地面高程由 652 m 降至 180 m，占总高 差的 74%，后 135 km 地面高程由 180 m 降至 12 m，占总高差的 26%。 天津干线的地形地势特点见图 1。2.2 河渠交叉多，分滞洪区影响大天津干线共与 49 条行洪、排涝河渠交叉。其中最大的是大清河，

5、 交叉断面以上集流面积 10 154 km2。根据大清河的分洪洪水演进分析结果可知，分滞洪区洪水对天津干线波及的范围为西起京深高速 公路、东至阿深高速公路（拟建）附近，总长约 53 km。2.3 自然水头分布不均天津干线起点处南水北调中线总干渠设计水位 65289 m，终点 设计水位 00 m，具有 65 m 的自然水头，但由于天津干线跨过太行 山麓与华北平原，地形变化较大，因此水头分配极为不均。天津干 线前 15 km 即集中了约 25 m 的自然水头，约占总水头的 385%；前 30 km，集中了约 50 m 的自然水头，约占总水头的 769%；而后段 125 km 地势平缓仅有 15 m

6、 的水头，约占总水头 231%。如何合理利 用这 65 m 的水头是天津干线输水方案需解决的重点理由之一。图 1 天津干线地形纵断面图Fig.1Cross section of topography of Tianjin section2.4 输水流量变化大在南水北调中线总干渠向天津供水过程中，年际间、年内各旬 间输水量不均匀，流量范围为 060 m3/s，其中输水流量为 3040 m3/s 的时段较长。因此，天津干线工程设计时既要满足 60 m3/s 的 输水能力要求，又要适应中小流量的输水运转要求。3 输水方案的论证3.1 输水方式的比选（1）明渠方式。作为长距离调水工程通常 采用明渠输水

7、方式，天津干线虽然具有 65 m 的自然水头，但由于天 津干线需穿越大清河滞洪区，与当地的行洪、排涝矛盾较大，且存 在永久占地多、对当地灌排系统影响较大、水量 3 4 浅论南水北调中线一期工程天津干线输水方案论证 导读：南水北 调中线一期工程天津干线输水方案论证 损失较大、水质不易保证、 工程管理难度大、冬季输水理由难以解决等诸多理由，故未予采用。（2）多种方式相结合。若考虑避开天津干线穿越大清河滞洪区 时与当地行洪、排涝的矛盾，同时减少对天津市市区段土地及产业 设施的占用，可以采用“穿越分滞洪区地段采用 PCCP 管、天津市 内段采用现浇混凝土箱涵”的方式。此方案虽解决了天津干线穿越 大清河

8、滞洪区的理由，但由于在上段水头较大地段采用了明渠，而 两段管涵段自然水头又较小，全线自流能力小，且为保证大流量时 输水能力，不得不在每段管涵的首端设加压泵站进行联合运转调度， 工程运转较为复杂，泵站运转费用高。考虑大流量、高扬程的水泵 国内尚缺少成熟的制造工艺，该方案明渠段仍有 80 km 长，存在与 全明渠方案类似的一些理由。根据国民经济评价和财务评价，与全 管涵方案相比，该方案并无明显优势，故最终也未采用。（3）全管涵方式。由于天津干线穿过经济较发达的平原地区，沿线村庄、人口密集，从减少人为活动对输水水质产生不利影响， 以及减少水量蒸发、渗漏损失，减少工程永久占地、节约宝贵的土 地资源等方

9、面考虑，根据国内外大型城市调水工程建设经验，天津 干线最终拟采用全管涵型式输水。3.2 全管涵输水方案的拟定与比选3.2.1 方案拟定方案一：以 PCCP 管为主的高压自流输水方案。为了充分利用 现有水头，利用高压管材将沿线水头均匀分配，设计针对 PCCP 管、 现浇预应力圆涵两种高压管涵型式，布置了不同管材不同管径的方 案进行技术经济比选。根据天津干线沿线铁路涵高度、较大河流公 路桥承载能力、管厂生产能力及 PCCP 管厂建厂费用，同时考虑到 施工质量和经济因素，最终选择以 2DN46 m PCCP 管为主的高压自 流输水方案。该方案在高压管涵末端设调流阀室来制约输水流量和消耗小流 量输水时

10、多余能头，并在上段设调压井以消减流量调节时产生的水 击压力。经对弧门、套筒式调节阀和环喷式调节阀进行比较，认为 调节阀具有调节灵活、调节精度高、振动小等优点，其中的环喷式 较之套筒式又较为经济，故最终采用环喷式调节阀作为高压管道末 端的调控设施。方案二：全箱涵型式的低压自流输水方案。充分利用天津干线 的地形特点，在首部地形较陡段采用与地形较为吻合的小断面无压 箱涵输水方式；在地势平缓的中下游采用压力相对较低的有压箱涵 输水方式；无压段与有压段通过调节池进行衔接。经对不同调节池 位置方案进行比较，并结合过渡过程分析成果，最终确定调节池位 于 10+660 处，有压段分配水头 2613 m，正常运

11、转时有压箱涵最大 内水压力 014 MPa。该方案仅通过进口闸制约输水流量，利用无压段中无压流对流 量变化时水力波动的延缓、衰减作用以及有压段保水堰对水头的自 动调节作用，以较为简单的调度运转程序，既保证了天津干线输水 系统的安全，又达到了与总干渠西黑山节制闸共同维持总干渠定水 位运转的目的。方案三：PCCP 管与箱涵结合型式的高低压 3 4 浅论南水北调中线一期工程天津干线输水方案论证 导读：南水北 调中线一期工程天津干线输水方案论证 组合自流输水方案。针对天 津干线上段地势落差大、中下段落差小、地势平缓的特点，充分利 用高压管涵耐高压、现浇混凝土箱涵适应低水头的特点，在上段一 定范围内采用

12、较小过流断面的耐高压管涵，将上段的水头集中起来 充分利用并预留一定的水头，在中下段利用预留水头采用箱涵输水。为尽可能多的利用天津干线上段水头，对 PCCP 管与箱涵结合型式 的输水方案作了探索。经对各种组合方案进行比选，最终选定 2DN40 m PCCP 管与箱涵组合方案。该方案在 PCCP 管末端 50+800 处设置了调流阀室来制约输水流 量并对小流量输水进行消能；在其后的有压箱涵段，设置了 4 座保 水堰井来实现对有压箱涵段的水力制约。3.2.2 方案的比选上述 3 种方案的压坡线示意图见图 2。图 2 天津干线不同输水方案压坡线示意图Fig.2Schematic diagram of

13、hydraulic gradient line under different es in Tianjin section从技术经济方面对上述 3 个方案作进一步分析比较如下。（1）在运转制约方面，方案一中，PCCP 管末端设调流阀室、 首端设调压井，调压井高出地面 20 余 m，小流量流态不稳定，会产 生较大的水力震荡和波动；方案二中，PCCP 管末端设调流阀室、 首端设调压井，箱涵段设保水堰，而调压井存在与高压管涵方案一 样的理由；方案三中，利用无压流对水力波动的延缓作用和有压段 保水堰对水头的调节作用，自动调节水头，运转制约最为简单。（2）在施工方面，方案一受公铁路交通桥级别、涵洞高度的

14、限 制，需设 5 个 PCCP 管厂，预应力圆涵段施工工艺复杂，质量不易 保证；方案二亦需设 2 个 PCCP 管厂；而方案三箱涵属于常规混凝 土工程，施工工艺简单，施工质量容易保证。（3）在投资方面，方案一投资为 95 亿元，投资最大；方案二 投资为 90 亿元投资居中；方案三投资为 869 亿元，投资最小。综合分析可知，在全管涵自流方案中，方案三具有投资最小、 调度运转简单、便于施工、易于维护等优点，因此，在全自流输水 方式中选择全箱涵无压接有压全自流方案。3.2.3 加压输水方案为了进一步降低全管涵方案的工程投资，又进行了加压输水方 式的论证工作，即通过设加压泵站以提高管涵内流速，减小过水断 面尺寸，从而达到降低工程投资的目的。根据天津干线来水过程的 特点和事故流量的要求，考虑到天津干线具有 65 m 的自然水头，本 着大部分水量自流和泵站利用率不宜过低的原则，确定了起始加压 流量为 45 m3/s，并对 3 种输水型式进行了均匀、两级加压方案的工 程设计。由于天津干线本身具有较高的自然水头，若采用加压输水 方式，则存在自流与加压切换，甚至在某些流量还存在先消能后加 压的理由。经综合分析，在加压输水方式中，选择全箱涵无压接有 压加压方案，该方案以 3 孔 40 m40 m 有压箱涵为主，在 55+800和 112+000 处分别设加压泵站。 3 4